Бактерии резко поменяли окружающую среду перед вымиранием — Naked Science
20.02.2020
София Жаботинская

Бактерии резко поменяли окружающую среду перед вымиранием

5.3

Ученые выяснили, как микроорганизмы могут становиться «ключом» к резким изменениям экосистем, не задерживаясь в них надолго.

Бактерия захватчик меняет окружение, но не выживает
Бактерия захватчик меняет окружение, но не выживает / © Massachusetts Institute of Technology

Известно, что инвазивные виды растений или животных, попадающие в новую среду, где у них нет естественных врагов, начинают быстро размножаться, трансформируя экосистему и вытесняя аборигенные популяции. Яркий пример — жаба-ага в Австралии.

Похожий, но менее понятный сценарий развивается, когда захватчик прибывает, изменяет экосистему, а затем погибает. Физики из Массачусетского технологического института обнаружили, что такое «временное вторжение» может происходить в популяциях бактерий: захватчик способствует трансформации микробиома, провоцируя переход от одного стабильного состояния сообщества к другому, а сам исчезает. Статья опубликована в журнале Science Advances.

«Эти результаты показывают, что бывает так, что даже если вид не выживает в течение длительного времени, он тем не менее может оказывать долгосрочное воздействие на сообщество», — говорит старший автор исследования Джефф Гор.

Полученные данные могут показать, как такие временные захватчики влияют на экосистемы — будь то бактерии, которые изменяют микробиом кишечника человека, ненадолго появившись в его пищеварительном тракте, или козы, питающиеся так, что на обширных территориях не могут больше выжить прежние виды растений и животных.

Изначально ученые планировали изучить факторы, которые могут побудить экосистемы переключаться между двумя устойчивыми состояниями. Многие экосистемы способны существовать в альтернативных стабильных состояниях, но одна может быть более «желательной», чем другая: например, озеро, которое может быть здоровым или эвтрофным (чрезмерно покрытым водорослями). Например, Сахара стала пустыней всего 5000 лет назад — до того она была покрыта травами. Механизмы, которые управляют этими переходами, не всегда понятны, как и возможность управления ими.

Чтобы изучить принципы, которые управляют этими сложными экологическими изменениями, исследователи проверили их упрощенные версии, которые можно анализировать в лаборатории. Авторы работы изучали популяции двух видов бактерий — Corynebacterium ammiagenes и Lactobacillus plantarum, которые, как известно, подавляют рост друг друга, изменяя pH среды: в их сообществе есть два устойчивых состояния, при которых доминирует один из видов в зависимости от кислотности среды.

Микрофотография бактерий рода Lactobacillus plantarum / © Soundharrajan et al., Saudi Journal of Biological Sciences, 2015

Далее на этих стабильных состояниях анализировали влияние временных захватчиков: из шести проверенных видов три смогли изменить общую популяционную динамику экосистемы, а затем вымерли.

Например, при стабильном состоянии микробиома, где L.plantarum правит бал, эти микроорганизмы поддерживают среду кислой, что сдерживает рост C.ammoniagenes. Захватчики, которые процветают в кислой среде, попав в нее, быстро растут. Однако такой быстрый рост производит побочные продукты метаболизма, которые повышают pH, что делает окружающую среду менее гостеприимной для инвазивных микроорганизмов и L.plantarum. В результате C.ammoniagenes снова одерживают верх.

Затем исследователи выяснили, можно ли увидеть это явление в естественных популяциях бактерий. Они взяли образцы почвы и вырастили найденные ими виды бактерий, что позволило этим сообществам достичь разнообразных альтернативных стабильных состояний в лабораторной среде. После введения тех же захватчиков, которых использовали на предыдущей стадии эксперимента, ученые наблюдали схожие закономерности быстрого роста, а затем — исчезновения захватчиков вместе со сдвигом в составе первоначального сообщества. Это показывает, что такой эффект реально происходит в естественных сообществах и не является чисто лабораторным продуктом.

Хотя то, что вид создаст условия, которые приведут к его гибели, выглядит нелогично, в природе это может происходить часто. Более ранние работы показывают, что «экологическое самоубийство», при котором вид делает окружающую среду непригодной для самого себя, не редкость.

Это происходит потому, что в микробной популяции те мутации, которые позволяют быстро расти, максимально эксплуатируя окружающую среду, в краткосрочной перспективе выигрывают у тех, кто медленно растут, сохраняя ее пригодной для жизни в будущем.

«Эта работа явно имеет важные последствия для манипулирования микробными сообществами. Возможность перехода микробного сообщества из неблагоприятного состояния в благоприятное является одной из наиболее важных задач в этой области, и команда MIT показала, как временные захватчики могут быть идеальным «выключателем» — они выполняют свою работу и затем исчезают», — отмечает Стефано Аллезина, профессор экологии и эволюции в Чикагском университете.

Можно отметить, что эта модель имеет смысл не только в упрощенных сообществах. Ученые надеются, что данные их работы помогут изучать и более сложные экосистемы, такие как озера или микробиом кишечника человека, искать эти виды инвазий, вызывающих переходные состояния, и их последствия.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
3 августа
Сергей Васильев

Белый карлик LP 40-365 пережил взрыв сверхновой и оказался выброшен прочь: теперь он на большой скорости устремляется прочь из Галактики и при этом медленно вращается.

Позавчера, 11:44
Илья Ведмеденко

Впервые запустить новую российскую межконтинентальную баллистическую ракету (МБР) «Сармат» могут осенью. Ранее стало известно, что в этом году хотят провести несколько испытаний изделия.

Позавчера, 12:44
КНЦ РАН

Что такое пыль и насколько она мешает горожанам, жители Апатитов знают не понаслышке. Уровень урбанизации неуклонно возрастает, и проблемы, связанные с качеством воздуха, обостряются с каждым годом. Размеры и концентрация микрочастиц в воздухе – важнейший индикатор его качества, однако причины их высокой токсичности пока изучены слабо. В последние годы пристальное внимание ученые уделяют вопросам изучения микробиома (сообщества микроорганизмов) воздуха, качество которого оказывает прямое воздействие на здоровье человека. Поэтому российские ученые озадачились изучением пыли на городских улицах Москвы и Мурманска.

1 августа
Мария Азарова

Исследование микробиома кишечника, проведенное японскими и американскими учеными, предоставляет один из потенциальных ключей к долголетию и лечению бактериальных инфекций.

3 августа
Илья Ведмеденко

Осведомленный источник ТАСС сообщил, что опытный образец перспективного стратегического бомбардировщика нового поколения соберут к 2023 году. Ранее стало известно, что в России изготовили первый образец двигателя для нового самолета.

1 августа
Александр Березин

СМИ всего мира принялись рассказывать, что новые штаммы возникли из-за ослабления ограничений, снятия масок, а то и под воздействием вакцин. Якобы те оказали эволюционное давление, заставляющее вирус обходить вакцинную защиту. Увы, реальная биология указывает на совсем иную — и более устрашающую — картину. Разбираемся в деталях.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: